2016 VOL.26

Review��
コーティング処理されたプレス金型のコーティング処理されたプレス金型の�損傷評価
損傷評価�

写真位置�
削 除 し ないでください��西野*
西野�創一郎
創一郎

S. Nishino
１．まえがき察することにより，皮膜だけではなく界面および基材まで

� 軽量化と衝突安全性の両立を目的として，自動車車体部含めた総合的な損傷評価を行った．また，コーティング金品への高張力鋼板の適用が進んでいる．このため，成形す型の熱損傷実験を実施して，摺動によって発生した熱によるプレス金型に成形時に大きな負荷がかかり，金型損傷がる基材の損傷を再現したのでその結果も併せて報告する．�

懸念されている．プレス金型には成形過程において，局部�的に大きな面圧が発生する肉余り部やしごき部が存在する．この部位の金型表面は高面圧を繰り返し受けるため，２．プレス成形過程におけるコーティング金型の摺動損傷�

焼付き･かじりの不具合が発生し大きな問題となっている．

� ����試験片および実験方法�

この問題を解決するために金型表面にコーティング皮膜

� プレス成形による摺動試験には合金工具鋼鋼材・冷間ダを付着させて金型と被加工材の凝着を防止する処理が施

イス鋼の ����� を用い，図１に示す試験片形状に加工して，されている．このため，金型耐久性を向上させる表面処理

焼入れ・焼戻し処理と ��� コーティング処理（膜種 ��）技術の重要性は高まっており，数多くの研究成果が報告さを同時に行った．また，同一条件で焼入れ・焼き戻し処理れている�������

を行った ����� 材に ��� コーティング処理（膜種：����）．�

金型へのコーティング処理として，低温処理の物理蒸着を行った試験片も併せて準備した．��� 処理 �� 皮膜の膜法（�������������������������，��� 処理と称す），高温

厚は �µ�，硬度は ������，��� 処理 ���� 皮膜の膜厚は �µ�，処理の化学蒸着法（�������������������������，��� 処

硬度は ������ である．被加工材には自動車用高張力鋼板理法と称す），および溶融塩浴処理法（�����������������������（板厚 �����，寸法 ����×����）を使用した．�

������������������������，��� 処理と称す）がある．���

�

処理は成膜温度が低く製品のゆがみが小さいが，母材と皮�膜との密着性が低い．�

���� 処理および ��� 処理は成膜温度が高く母材と皮膜と�の密着性が高いが，製品のゆがみは大きい．金型適用には

�皮膜の密着性を優先し，高温処理での皮膜が多く使用され��ている．コーティング皮膜の耐久性評価法は多数存在して
図１� 試験片寸法�

おり，ボールオンディスク試験による摩耗・摩擦係数の測定，スクラッチ試験による皮膜の密着性評価，その他に，

�帯板しごき試験や深絞り加工試験，ボール通し試験などが図２に示すように，���� 電動サーボプレス機械に，被ある．一方で，実験方法の種類によって結果が異なる場合加工材を成形するパンチと金型試験片がはめ込まれたダや実際のプレス加工を体現していない場合もあり���，ユーイを設置してプレス試験を行った．コーティング処理が施

ザーサイドからみると，皮膜の耐久性や密着性を加工工程された金型試験片の部分では成形品が縮みフランジとなとリンクさせて系統的に整理されたデータが必要とされっており板厚が増えて高面圧で摺動される．加えて，試験ている．�

片とパンチの間のクリアランスを被加工材の板厚よりも� かかる観点から，著者らは一連の研究において，プレス小さく設定して（������），プレス成形における高面圧部成形における金型損傷を再現する試験方法を考案して実すなわち加工が厳しい部位を模擬的に再現した．図３にお験を行い，皮膜の損傷メカニズムについて明らかにしてきける成形品において○印で示した部分が高面圧で摺動さた��������．本研究では，汎用コーティング技術である ���れた箇所である．�

および ��� 処理を施された金型を用いて実際のプレス成�

形試験を行い，高面圧下での摺動損傷について連続観察を�実施した．その際に，損傷を受けた金型の断面を詳細に観�* 茨城大学大学院理工学研究科 量子線科学専攻准教授- 106 -�

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�� ���������������

����� ��� 処理 �� コーティング�

図２� 試験片のセッティング������ ��������������

図３� 被加工材（加工後）�

���� ��� 処理 ���� コーティング��

図４� コーティング試験片表面の様相�

上記のプレス機械および金型，試験片を用いてプレス成形試験を実施した．その際に，所定の成形回数（�� 回，��� 回，��� 回）で試験を中断して，試験片を金型から取り�出して光学顕微鏡により同一カ所の表面観察を実施した．

�試験片表面および成形品の連続観察から目視にて明らか�

な表面損傷が観察された時点で成形を終了して，金型寿命

�（最終成形回数）とした．その後，試験片を切断して走査�

型電子顕微鏡（���）およびエネルギー分散型 � 線分析装�置（���）により損傷個所の断面観察を実施した．また，

�微小硬さ計による基材硬度の測定および超微小硬さ計に

�

よる皮膜の力学特性の測定も併せて実施した．�

�� ����金型寿命と皮膜特性の関係������ ��� 処理 �� コーティング�� プレス成形によるコーティング金型試験片の摺動試験を行った結果，��� 処理（�� 皮膜）を施した試験片では�で明らかな損傷が認められたために金型寿命とした．皮膜� �

硬度は �� 皮膜で ������，���� 皮膜で ������ であり，よ�

り硬質な ���� 皮膜の方が短い金型寿命を示した．このこ�とについて詳細に検討した．�

�� 金型寿命での表面観察結果を図４に示す．両者ともに摺�動痕が認められたが，損傷が大きい箇所は試験片上部の ��部から平坦部になった部分であった．この損傷が大きい部

�分の拡大写真を図５に示す．�� 皮膜および ���� 皮膜とも

�に，摺動方向に垂直方向の割れとカジリが認められる．特���� 回，��� 処理（���� 皮膜）を施した試験片では ��� 回���� ��� 処理 ���� コーティング�に損傷の大きい個所では基材を含めた陥没が観察されて

図５� 摺動損傷�

おり，高面圧の摺動負荷によって皮膜だけではなく基材まで損傷が及んでいる．�

��

�

�

�

- 107 -

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皮膜の割れを ��� によって詳細に観察した結果（図６），が進み，面圧および摩擦係数の局所的な増加から，皮膜が割れた箇所に被加工材である鉄が凝着している．また，割摺動方向に対して座屈によって破壊されると考えられる．�

れの間隔は �� 皮膜の方が ���� 皮膜よりも大きい．割れの�

間隔の差から �� 皮膜の方が摺動負荷に対する抵抗が大き�

いと考えられるため，超微小硬さ計によって皮膜の特性を�調査した．�

�� 図７は，超微小硬さ計を用いて成形試験前の試験片にお�いて表面から ����� の荷重で押込み試験を行った結果で�ある．押込み量は ���μ� であり膜厚に対して十分小さい�ことから，基材の影響を受けずに皮膜そのものの材料特性����� �� 回�を測定できている．この結果から，どちらの皮膜でも塑性変形が生じているが，塑性変形による仕事量は �� 皮膜の方が ���� 皮膜よりも大きいことがわかる．この塑性仕事

量は皮膜の靱性を表しており，靱性の差によって皮膜の割�れの間隔に差が生じたと考えられる．以上の結果から，コ�ーティング金型の寿命を伸ばすためには，より硬質な皮膜

�ではなく，摺動負荷に追従する靱性の高い皮膜を選定する

�ことが重要であると言えよう．�

��

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���� ��� 回��

��

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�������������� � � � � � � � � �������������

図６� コーティング皮膜の割れ������図８� 試験片表面の連続観察（������）�

�

図９は，金型寿命での �� 皮膜および ���� 皮膜の損傷部

�断面を ��� で観察した結果である．どちらの皮膜も摺動方

Load [mN]���� ��� 回��

向に対して階段状に割れている．また，皮膜と基材の界面

�

での剥離現象は認められなかった．このことから皮膜の基�

材への密着強度はどちらのコーティング処理においても�十分に確保されていることがわかる．コーティング処理方

�法や膜種が異なっても皮膜の摺動損傷形態に相違は無いことが確認された．�

��

Displacement [nm]

� 図１０は，�� 皮膜の損傷部の ��� 観察および ��� 分析

図７� コーティング皮膜の荷重－変位線図�

結果である．階段状に割れた �� 皮膜の上に堆積した物質

図８は，�� 皮膜の試験片表面の連続観察結果である．

が認められる．��� 分析の結果，�� 皮膜の下の基材（�����）成形回数 �� 回で高面圧部に損傷が認められた．同図より，には構成元素である �� と �� が検出されたが皮膜の上に堆試験片上端部から摺動方向に ���µ� 下がった部分にしわ積した物質には �� のみが検出された．この結果から皮膜が生じ，しわの下部で摺動方向に対して垂直方向にコーテの上に被加工材である鉄が凝着していることがわかった．�

ィング皮膜の割れが観察された．摺動回数を重ねるごとに

� 図１１は，損傷が最も大きかった箇所の断面写真である．

試験片表面の変形は大きくなり，その部分へ鉄の凝着が堆どちらのコーティング試験片においても皮膜が消失して積している．表面の凹凸を光学顕微鏡におけるピント調整いる．表面写真においても同様の結果が観察されたが，こで測定した結果，約 ��µ� であった．皮膜の膜厚は �µ� での損傷の深さは基材まで及んでいる．すなわち，プレス成あり，損傷は基材まで及んでいる．皮膜のみならず基材を形による摺動損傷は皮膜の割れだけではなく，基材にまで含めた表面変形と被加工材である鉄の凝着によって損傷影響を及ぼしている．図８における表面観察結果からも，- 108 -2016 VOL.26

成形回数が少ない段階で金型表面にしわ状の変形が進んす熱損傷試験を行うこととした．�

でいることが認められた．�
�������������

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Hardness [HV]����������� � � � � � � � � �������������

図９� 損傷部の試験片断面観察������ ��������

��

��

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Hardness [HV]

��

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�

Distance from the R part [mm]��������� 写真� � � � � � ������ 解析結果（�）�

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�

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Distance from the R part [mm]���� ���������

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図１２� 基材の軟化現象�

������ 解析結果（��）� � ������ 解析結果（��）�
図１０� �� 皮膜損傷部の ��� 観察および ��� 分析結果�

��

３．コーティング金型の熱損傷試験�

�� ��� 試験片および実験方法�

�

� 摺動試験で使用した合金工具鋼鋼材・冷間ダイス鋼

������ に ��� 処理により �� 皮膜をコーティングして熱処�

理試験片とした．熱処理は，小型プログラム電気炉を用い�て昇温時間 � 時間，保持時間 � 時間後炉冷とした．処理温�度は ���℃，���℃，���℃，���℃，���℃の � 種類を選定
図１１� 皮膜および基材の損傷�した．なお，試験雰囲気は大気中である．�

�� ��� 実験結果および考察�
図１２は，金型寿命における損傷断面部の基材硬度を測

� 各処理温度における硬度測定結果を図１３に示す．測定定した結果である．試験片表面から ������ および ������箇所は皮膜から深さ方向に ������，������，������ の３の深さで摺動方向と平行に ����� 間隔で硬度を測定した．

カ所である．熱処理温度 ���℃から ���℃までは硬度に変同図から，損傷が激しかった試験片 � 部近傍において基材化は無いが，���℃では硬度が大きく低下しており基材のの軟化が認められる．試験片表面から ������ で軟化が認軟化が認められた．この結果から，本研究における摺動試められるが，表面から ������ では認められないことから，

験では摩擦熱によって試験片表面の温度が ���℃以上まこの軟化現象は摺動損傷が激しい部分の表面層で起こっで上昇していると考えられる．一方で，鉄鋼は熱伝導率がていることがわかる．�

高いために摺動による発熱は表面近傍に限定されると予以上の結果から，コーティング金型のプレス成形におけ測される．�

る摺動損傷は，（１）基材の軟化，（２）皮膜の階段状割れ，

図１４は熱処理後の試験片の断面写真である．処理温度（３）被加工材の凝着，（４）皮膜を含めた基材の剥離と���℃では皮膜の形態に変化は無いが，���℃では酸化によいうプロセスで進行していくと考えられる．コーティングって皮膜表面が欠落した様子が認められる．摺動負荷によ金型の基材が摺動負荷によって軟化する要因として，摺動る摩擦熱によって基材が軟化するだけではなく，皮膜も熱時の摩擦熱が考えられる．そこで，����� 材に熱処理を施による酸化で損傷を受ける可能性があることが示唆され- 109 -

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た．�

荷に追従する靱性の高い皮膜を選定すること，そして，耐�以上の結果から，コーティング金型の耐久寿命を伸ばす

熱性の高い基材と皮膜を使用することが重要である．�

ためには耐熱性の高い皮膜と熱による軟化が少ない金型

�

謝� 辞�

基材の選定が有効であると考えられる．�
�

本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発助成
900.0

�

800.0

Hardness [Hv]

�
�
�

700.0

�

600.0�
���

により実施した研究に基づいていることを付記するとと0.05mm from the membrane
0.55mm from the memebrane
1.05mm from the membrane
Average

もに，同財団に感謝いたします．
�

参考文献�����仁平宣弘，三尾淳：はじめての表面処理技術，������，技術評論社．�

500.0
400.0

����日原政彦・型技術協会型寿命向上研究委員会編：金型
200

300

400
Temperature [℃]500600図１３� 熱処理後の硬度（�����）�

高品質化のための表面改質，������，日刊工業新聞社．�
����市村博司，池永勝：プラズマプロセスによる薄膜の基
礎と応用，������，日刊工業新聞社．�

�

����池永勝，鈴木秀人：ドライプロセスによる超硬質皮膜

�の原理と応用，������，日刊工業新聞社．�

�����河田一喜：本当によくわかる窒化・浸炭・プラズマ

����，（����），日刊工業新聞社�

�

����日本塑性加工学会編：第 ��� 回塑性加工シンポテキス

�ト，（����）．�

�

����日本塑性加工学会編：第 ��� 回塑性加工学講座テキス
図１４� 熱処理試験片の断面観察�

ト，（����）．�

�����井上薫ほか � 名：塑性と加工， �������������，４．結論����������．�

� 本研究では，コーティング金型におけるプレス成形時の����川村善徳ほか � 名：自動車技術会 ���� 年春季大会学摺動損傷を再現する試験方法を考案して実験を行い，摺動術講演前刷集，�����������，�����．�

負荷による皮膜および基材の損傷メカニズムを明らかに����西野創一郎ほか � 名：自動車技術会 ���� 年春季大会した．また，熱処理試験を実施して，摺動によって発生し学術講演前刷集，�����������，�����．�

た摩擦熱による基材と皮膜の損傷を再現した．得られた結�����井上薫ほか � 名：自動車技術会 ���� 年春季大会学術果を以下に示す．�

講演前刷集，�����������，����．�

（１）摺動損傷は，基材の軟化，皮膜の階段状割れ，被加�����井上薫ほか � 名：自動車技術会 ���� 年秋季大会学術

工材の凝着，そして皮膜を含めた基材の剥離というプロセ講演前刷集，������������，�����．�

スで進行する．�

�����鈴木優大ほか � 名：自動車技術会 ���� 年春季大会学（２）摺動負荷による摩擦熱でコーティング金型の表面は術講演前刷集，�����������，���．�

���℃以上に加熱されて基材（�����）の軟化が生じる．ま�����小林正憲ほか � 名：自動車技術会 ���� 年春季大会学た，この温度では皮膜も酸化による損傷を受ける．�

術講演前刷集，�����������，����．�

（３）コーティング金型の寿命を伸ばすためには，摺動負�����西野創一郎，大屋邦雄：塑性と加工，�������������
�- 110 -